超长径比大变径锥度管体内孔加工方法及装置与流程

本发明属于超长深孔镗削加工(工件总长＞15000mm)、大长径比（长径比≥100）、大变径（内孔直径差＞100mm、变径区域内孔锥度过渡结构）的特种管体的精密制造与机械精密加工，具体涉及一种对超长径比大变径锥度管体的内孔进行高精度加工的超长径比大变径锥度管体内孔加工方法及装置。

背景技术：

1、现阶段在特种管体（结构见图1）精密制造、机械精密加工技术领域中，陆续运用超大长径比大变径锥度管体类核心零部件，该类零部件整体结构细长，整体长径比≥100，零部件两端内孔孔径规格悬殊，自然形成大变径结构布局，管体两端孔径之间通过一定锥面结构进行过渡衔接。该类特殊结构管体使用工况严苛复杂，因此对于管体全长内孔直线度、两端内孔同轴度、中间锥度过渡面成型平整度、工件整体径向跳动量各项精度要求极高。

2、目前行业内针对该类超大长径比、大变径、变径处锥孔过渡超长类管体，普遍依旧采用传统推镗、分段式镗孔加工工艺，实际生产运用过程中弊端突出，局限性极大。由于工件长径比值过大（长径比≥100），传统推镗使用镗杆悬伸距离过长，镗杆自重荷载大，极易发生严重挠曲、弯曲变形，传统加工工艺体系无配套支撑结构，无法约束镗杆形变，最终加工成型的内孔出现波浪起伏、中间鼓肚、直线度严重超标；对于管体中部锥度过渡区域，常规加工工艺方法常采用拆分段落、分次镗削、频繁更换刀具加工，极易留存明显接刀台阶、内孔表面粗糙度差，锥面整体连贯性较差，影响管体后续装配适配性能。现有传统镗削设备无多点支撑工装，镗刀杆无轴向可调节支撑套结构，镗刀杆加工过程弯曲变形无法抵消；同时锥度加工成型刀具无前置导向支撑装置，锥度加工成型刀具镗削时刀具易径向偏移，锥面成型连贯性差。因此急需通过配套专用支撑、导向支撑装置等从设备工装层面上解决上述加工精度缺陷。

3、综上所述，现有加工工艺方法和配套工装，无法满足该类超大长径比、大变径、变径处锥度过渡超长类管体高精度、高稳定性的加工生产需求。因此，设计一套专属化、系统化、闭环式内孔精密加工工艺及配套专用加工装置，是当前特种制造行业的迫切需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种超长径比大变径锥度管体内孔加工方法及装置，依托拉镗式浮动镗孔加工方法搭配镗刀杆支撑套装置控制超长深孔内孔直线度，利用基准互换加工模式解决大变径两端孔同轴度控制难点，配合一体式专用锥形成型刀具搭配前置导向支撑，提升锥面加工质量，结合去应力以及精密校直工序稳固工件整体形态，全方位系统性提升超长径比大变径锥度管体整体加工综合精度。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、一种超长径比大变径锥度管体内孔加工方法，包括如下加工步骤：

4、步骤1）、使用深孔钻镗床、数控车床将超长径比大变径锥度空心管体坯料进行半精加工；内孔整体单边留3mm精加余量，外圆单边留4mm精加余量；

5、步骤2）、对完成半精加的超长径比大变径锥度管体进行全长弯曲度检测，并在压机上进行施压精准校直；保证弯曲度要求≤1mm；

6、步骤3）、将精校后的半精加管体采取井式炉吊挂低温去应力回火处理，加热温度400～500°，保温时间不低于8h，出炉后自然冷却至室温，充分去除工件内部应力，防止工件精加后变形；

7、步骤4）、将去应力回火后的管体上车床检测工件弯曲度、余量情况及全长壁厚差，弯曲及壁厚差满足加工余量，工件采用两端顶尖定位结合多组外圆定位套辅助支撑进行水平装夹，车外圆架位及平端面，保证基准平整干净；即工件采用夹大端顶小端装夹找正，车外圆支撑管体的架位，保证架位处壁厚差≤0.5mm，跳动≤0.05mm，粗糙度≤ra1.6，同时车过渡处外圆见光，并记录此处壁厚差，平两端面，保证基准平整；

8、步骤5）、将空心管体小端装入深孔主轴卡盘，用中心架支撑后找正,装配拉镗式浮动镗孔镗刀杆支撑装置，即从装刀体端的镗刀杆前端开始在超长镗刀杆上依次安装多组随动支撑套装置，将镗刀杆进给穿过小端孔，采用拉镗式浮动镗孔方法，镗杆向后拉伸拉镗孔；

9、步骤6）、采用步骤5）中拉镗式浮动镗孔方式对管体小端内孔依次实现“三次拉镗式浮动镗孔”，严格把控小端内孔圆度、直线度各项指标，将加工成型后的小端内孔确立为整件工件唯一核心加工基准；

10、步骤7）、通过检测变径过渡段处外圆多点壁厚数据，壁厚差控制在0.3mm范围内，将变径过渡段外圆壁厚差≤0.3mm作为定位加工前提，若壁厚差＞0.3mm，则以已加工小端内孔为基准重新修正大端架位，保证架位处壁厚差≤0.3mm，跳动≤0.05mm，粗糙度≤ra1.6，并以修正后大端架位为基准找正、精加工大端内孔，解决大变径管体两端内孔同轴度难以统一的加工难点；

11、步骤8）、采用推镗孔方法加工大端直孔，采取“一次尖刀推镗+二次浮动推镗”分级推镗方式加工大端直孔，加工深度为l1-50，50为深度预留50mm，以防推镗孔刀体直接加工到成品深度后浮镗刀体前端撞到锥面上，切削参数为进给速度为8～20mm/min，转速为40-60r/min，保证内孔粗糙度≤ra1.6；

12、步骤9）、依次采用过渡锥孔一体式锥形成型刀、一体式锥形铰刀，设定连续单向推镗走刀路径，分三刀连续性完整加工中部锥度过渡区域；过渡锥孔一体式锥形成型刀用于粗、精成型切削，一体式锥形铰刀用于最终精铰成型，确保锥面成型连贯光滑及粗糙度；为更好地保证大孔、小孔同轴度，成型刀前端增加前置导向支撑装置，支撑在已加工小孔内壁；

13、步骤10）、上深孔珩磨机珩磨大端、小端内孔至成品要求尺寸，并修磨直孔段与锥面过渡处圆滑过渡；

14、步骤11）、小端内孔直线度检测：将珩磨后的管体小端内孔用10倍径长度、设定间隙的样柱检测内孔直线度，确保样柱顺利通过内孔即为直线度合格；

15、步骤12）、对内孔精密加工后的管体从大端开始依次精车外圆各台阶成型，并平端面，保证各台阶长度及尺寸至成品尺寸，满足设计要求。

16、在步骤1）中，所述超长径比大变径锥度空心管体坯料，其工件总长＞15000mm，长径比＞100，其形状整体呈细长管状构造，同时一端粗、一端细，两端外圆直径差＞200mm，两端设置不同的内孔形成大变径结构，大端内径＞300mm，小端内径＞90mm，内孔直径差＞100mm，中间变径区域内孔锥度过渡。

17、在步骤5）中，所述拉镗式浮动镗孔镗刀杆支撑装置的随动支撑套装置外径与管体底孔配合间隙0.5～1mm，随动支撑套装置内径与镗刀杆杆身外径配合间隙0.1～0.2mm；松开支撑套的调节顶丝后，支撑套可沿镗刀杆轴向自由滑动调整装配间隙。

18、在步骤6）中，“三次拉镗式浮动镗孔”采用多次微量切削方式，切削参数为主轴转速80-90r/min和进给速度10-20mm/min，逐步修正小端基准孔的圆度、直线度偏差，保证内孔粗糙度≤ra1.6,内孔直线度用10倍径长度、规定设计间隙样柱顺利通过内孔，为后续全段内孔加工提供统一基准。

19、在步骤8）中，采取“一次尖刀推镗+二次浮动推镗”分级推镗方式加工大端直孔，切削参数为进给速度为8～20mm/min，转速为40-60r/min，保证内孔粗糙度≤ra1.6。

20、在步骤9）中，过渡锥孔加工采用两把独立刀具先后加工，分别为过渡锥孔一体式锥形成型刀、一体式锥形铰刀；过渡锥孔一体式锥形成型刀配置分布式刀片与整体式硬质合金刀条两种刀片；一体式锥形铰刀为独立精加工刀具，设有三组切削刃带，配置整体式硬质合金刀条刀片；加工时先通过一体式锥形成型刀装配分布式刀片完成过渡锥孔粗加工，更换整体式硬质合金刀条完成锥孔精加工，再换装一体式锥形铰刀对整段锥面进行精铰成型，提升锥面整体圆度及粗糙度。

21、首先，采用安装分布式刀片的过渡锥孔一体式锥形成型刀粗加工过渡锥孔时，以18～25r/min进给，当进给到(l1-50)mm处，以慢进给0.3～1mm/min进给到l1处时停止进给；其次，使用安装整体式硬质合金刀条的过渡锥孔一体式锥形成型刀精加工过渡锥孔时，以18～25r//min进给，转速降低到6～15r/min，当进给到(l1-50)mm处时停止进给，为确保锥面连贯光滑，在钻杆箱与导轨间压百分表，继续以慢进给0.3～1mm/min，打表进给补偿0.8mm，即为安装分布式刀片的过渡锥孔一体式锥形成型刀与安装整体式硬质合金刀条的过渡锥孔一体式锥形成型刀轴向进给深度；后退刀观察内孔质量状况，保证锥孔精成型；最后，更换过渡锥孔一体式锥形铰刀，主轴转速以6～8r/min进给到l1处时停止进给，在钻杆箱与导轨间压百分表，继续慢进给0.3～1mm/min，打表进给0.8mm+2.4mm，即过渡锥孔一体式锥形铰刀最大切削点和安装整体式硬质合金刀条的过渡锥孔一体式锥形成型刀设计起始基准偏差；此时锥孔已圆滑过渡连接，内孔粗糙度提高达ra＜1.6，锥面连贯光滑，加工过程中依托上述前导向支撑装置，消除管体大小端孔径差异带来的同轴度偏差。

22、所述步骤11）小端内孔直线度检测：将珩磨处理后的管体小端内孔φ155（+0.2/0）mm用10倍径长度1550mm、直径155（-0.085/-0.148）mm的样柱检测内孔直线度，样柱顺利通过内孔，即超长径比内孔直线度合格。

23、一种超长径比大变径锥度管体内孔加工装置，包括工件外圆定位辅助找正工装、拉镗式浮动镗孔镗刀杆支撑装置、过渡锥孔一体式锥形成型刀、一体式锥形铰刀及成型刀前置导向支撑，其特征在于，将工件水平放置机床床身之上，工件小端夹持于机床主轴，镗刀杆由主轴端伸入工件内孔，镗刀杆外圆装配有拉镗式浮动镗孔镗刀杆支撑装置；精加工锥孔工序配置两把独立刀具，即过渡锥孔一体式锥形成型刀、一体式锥形铰刀，两把刀具可分别拆装换装；成型刀前端安装有导向支撑结构，全程保证刀具、支撑、工件三者高精度同轴；

24、所述拉镗式浮动镗孔镗刀杆支撑装置装配于超长镗刀杆外圆壁上，用于抵消超长镗刀杆自重挠曲变形、切削振动偏移，控制超长深孔内孔直线度；包括多组独立的支撑套；单组支撑套主体为整体式抱箍结构，抱箍外周均匀开设有安装顶丝的4组螺纹顶丝孔，顶丝头端锁紧在超长镗刀杆外圆壁上实现径向锁紧，松开顶丝后支撑套可沿超长镗刀杆轴向滑动调整间距；在拉镗式浮动镗孔过程中在超长镗刀杆轴向进给时，沿超长镗刀杆轴向固定间距装配的多组支撑套随超长镗刀杆同步在工件内孔中滑动，全程持续提供径向限位支撑；

25、所述过渡锥孔一体式锥形成型刀为整体无拼接锥面结构，设有圆柱连接柄、一体式锥度刀体、两组切削刃带，可装配分布式刀片与整体式硬质合金刀条两种刀片；所述一体式锥形铰刀为独立精加刀具，设有三组切削刃带，装配整体式硬质合金刀条；加工过渡锥孔时成型刀尾端，即锥形刀大径端设置螺纹连接柄与超长镗刀杆连接；成型刀外锥面为连续平滑锥度曲面，无分段台阶、无拼接缝隙，完全匹配工件内部大变径锥孔轮廓；刀体刃带均匀布设于锥面外侧两端，保证锥孔一次成型、无接刀痕；锥形成型刀设于整套精加工刀具末端，工作时跟随导向支撑装置后方行进，以已加工小端基准孔为定心基准，由大端向小端单向连续走刀，一次性完成大变径锥度内孔整体切削成型，成型后采用一体式锥形铰刀，降低主轴转速再次由大端向小端单向连续走刀，一次性完成大变径锥度内孔整体铰孔成型，保证过渡锥段内孔粗糙度；

26、所述过渡锥孔一体式锥形成型刀前置导向支撑装置，同轴安装于锥形成型刀前端，包括圆柱形导向支撑座基体、4组径向伸缩导向键、后端螺纹连接端、紧固六方及2个相贯穿油孔；支撑座后端外螺纹与锥形成型刀前端即锥形刀小径端的内螺纹连接，依靠紧固六方完成拆装锁紧；导向支撑座基体外圆周向均匀开设4组键槽，每组键槽内部滑动装配一组导向键，导向键始终超前切削刃一段轴向距离；加工锥孔时导向支撑装置导向键先自研伸入工件已加工小端基准内孔，自适应贴合小端内孔壁建立高精度同轴基准，成型刀后端即锥形刀大径端跟随基准设定连续单向推镗走刀路径，分三刀连续性完整加工中部锥度过渡区域，完成锥孔切削，消除管体大小端孔径差异带来的同轴度偏差；过渡锥孔一体式锥形成型刀前置导向支撑装置同轴固定于一体式锥形成型刀前端即锥形刀小径端，通过前端内螺纹与成型刀前置导向支撑装置后端外螺纹连接，导向支撑装置4组径向导向键超前成型刀切削刃布置，加工变径段过渡锥孔，提升锥面加工精度及保证大小端孔同轴度偏差；

27、工件经外圆多点支撑工装定位找正，多点v型支撑修正超长管体弯曲、均匀分散应力；拉镗式浮动镗孔采用带多组随动支撑的浮动镗镗刀杆伸入内孔，依靠镗刀杆多点支撑抑制镗刀杆振动、挠曲，完成小端基准孔高精度拉镗式浮动镗孔加工；基准孔加工完成后，采用一体式锥度精加工刀具组件，刀具前端导向支撑结构优先进入已加工基准孔自适应定心，建立恒定同轴基准；后续锥形成型刀沿工件轴向匀速进给，依托前置导向基准完成大变径过渡锥孔一次性整体成型；配套装置加工全程保持工件基准固定、镗刀杆多点随动支撑、刀具前置导向定心、同轴基准实时跟随，实现超长径比、大变径锥孔高精度、低变形、无接刀痕加工。

28、以超长镗刀杆前端即装刀体端为基准装配拉镗式浮动镗孔镗刀杆支撑装置，第一组支撑套距离刀体约300～800mm，其余支撑套沿镗杆轴向每隔约3000mm装配一组，针对总长＞15000mm的超长管体，镗镗刀杆上共需装配4组支撑套，每组支撑套通过周向4组顶丝锁紧在超长镗刀杆上，松开顶丝后支撑套可沿超长镗刀杆轴向滑动调整间距。

29、安装时支撑套外径与工件底孔配合间隙0.5～1mm，支撑套内径与超长镗刀杆配合间隙0.1～0.2mm，必须通过顶丝锁紧在镗刀杆上，加工状态下支撑套外圆同步贴合工件小端内孔壁，沿超长镗刀杆全长形成多点径向支撑，抵消超长镗刀杆自重挠曲、振动偏移；超长镗刀杆轴向进给加工时，多组支撑套同步随超长镗刀杆在工件内孔滑动，超长镗刀杆进给支撑套外圆同步贴合管体内孔壁，持续提供径向限位，形成多点径向支撑结构，多点约束超长镗刀杆挠曲变形，约束超长深孔的加工直线度，全程保持超长镗刀杆与工件内孔同轴，确保加工的超长深孔管体内孔直线度、同轴度要求。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

31、1、加工工艺方面的优势

32、1）、本发明首创基准互换加工工艺，采用深孔拉镗式浮动镗孔加工工艺，先精加小端内孔作为统一基准，建立稳定小端基准，再利用变径过渡段壁厚偏差校正大端壁厚加工大端直孔，基准统一，显著提升大小端内孔同轴度精度；

33、2）、锥度过渡区域采用一体式锥形成型刀三刀连续镗削，整体完成过渡段锥度加工，加工连续无断点，摈弃传统分段换刀工艺产生的接刀台阶，同时采取三刃铰刀最后精整加工，锥度表面质量及粗糙度显著提升。

34、3）、珩磨+样柱检测组合工艺，精准管控超长管体内孔直线度、尺寸精度、表面粗糙度等高精度要求。

35、4）、合理规划工序节点，在半精加工后、最终精加工前设置低温去应力+精密校直组合工序，依托工件外圆定位工装多点支撑约束工件变形，提前释放深层残余应力、矫正管体弯曲形变，有效避免工件后期应力回弹、形变走位现象，长久稳定工件径向跳动精度，成品尺寸稳定性极强。

36、2、专用加工装置结构方面的优势

37、1）、拉镗式浮动镗孔镗刀杆支撑装置：依托超长镗孔镗刀杆外圆壁上多组支撑套，根据管体长度安装多组独立支撑套，支撑套安装间距、配合间隙精准可控，多点随动支撑抵消镗刀杆挠曲变形与切削振动，进而提升超长深孔内孔直线度精度，解决长径比≥100管体内孔波浪、鼓肚缺陷等尺寸精度及直线度失控难题；同时支撑套依靠顶丝锁紧、拆装，调距便捷，通用性强。

38、2）、一体式锥形成型刀前置导向支撑装置：与锥形成型刀同轴一体化装配，加工锥度段提前限位刀具径向位移，全程保证刀具、支撑、工件三者高精度同轴，保证锥面平滑过渡。

39、综上所述，整套工艺逻辑严密、工序排布科学合理、配套专用加工装置协同联动，针对性适配各类超长径比、大变径、锥度过渡类管体加工，加工精度高、稳定性好、大幅提升产品合格率和生产质量，降低生产加工成本。